（机械电子工程专业论文）挤压筒内孔变形分析及结构优化研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 大型宽幅壁板( 简称壁板) 具有良好的比强度和可靠性等特点而被广泛应用 于工业和生活。挤压工艺与模具的优化设计直接影响壁板的生产质量和经济成本， 由于壁板具有壁薄、外形尺寸大、断面宽厚比大、形状复杂及精度高等特点，对 挤压工艺和模具提出了很高的要求。研究表明，在比压很高的情况下，采用扁挤 压筒挤压大宽厚比的宽幅壁板的效果比较好。本文以组合挤压筒为研究对象，采 用解析法和数值模拟对组合挤压筒，进行多种工况下的应力应变分析计算，在此 基础上对扁挤压简进行了结构优化，这对于提高大型挤压模具的设计水平和挤压 筒的寿命以及壁板的生产质量都具有极其重要的意义。本论文主要进行了以下工 作： 针对采用应力叠加法对组合挤压筒进行力学分析时，公式复杂且计算繁冗 的问题。本文基于厚壁圆筒理论，采用位移协调法推导出了组合式挤压筒过盈装 配后层套间接触应力的计算表达式，其计算过程简洁方便，尤其适用于多层筒的 分析。 采用大型有限元分析软件对挤压筒在预紧、预紧内压、热预紧内压工况 下进行了分析计算，结果表明：扁挤压筒内孔存在严重的应力集中，并且在热预 紧内压状态下扁挤压筒的应力峰值有所减小。有限元法与位移协调法计算结果相 吻合。 探讨了不同的过盈量和不同的内孔形状对组合式扁挤压筒应力分布的影 响，得到挤压筒应力值减小时对应的最佳过盈量范围。与其他的内孔形状相比， 直线与椭圆弧相接时的最大应力值最小。 结合面向对象的c 撑语言、大型有限元软件、参数化语言和m a t l a b 优化 工具，建立扁挤压筒的结构模型，以应力值最小为目标函数，对直线圆弧型和直 线椭圆型两种孔型进行结构优化，确定出了最佳的过渡形线参数。 本论文所采用的分析方法及研究结果，对优化扁挤压筒的孑l 型参数、改善扁 挤压筒内孔应力状况、提高扁挤压筒的使用寿命有一定的理论指导意义。 关键词：组合式挤压筒，位移协调式，过盈量，内孔形状，结构优化 a b s t r a c t 1 h el a r g et h i n - w a l l e dp a r t sh a v eb e e l l 谢d e l yu s e di nm ei n d u s 仃ya n dd a i l yh f ed u e t oi t sh i 曲s 仃e n g mr a t i oa n dr e l i a b i l i t y t h eo p t i m i z a t i o nd e s i 印o fe x 饥l s i o nd i ea 芏1 d c o n t a i n e rw i l lh a v ed i r e c ti m p a c t so nm eq u a l i t yo f 也ef i n a n yp r o d u c t i t sr e q u i r e df o r b o t ho fc o n t a i n e ra 1 1 dd i ed u et ot 1 1 em i nw a l l ，l a g e rd i m e l l s i o n s ，1 a g e rw i d t h l l e i 班tr a t i o ， s h a p ec o m p l e x i t ya n dh i 曲p r e c i s i o no fm ep r o d u c t e x i s t e ds t i l d i e ss h o w s 也a ti t w i l l p r o d u c eh i 曲q u a l i t yo fl a r g em i n w a l l e dp a r t sw h e nu s e 也ef l a t e x 仃u s i o nc o n t a i n 既 t h ed e f o m a t i o n 趿ds 仃e s so ft h ec o n t a i n e rw i l lb es t l l d i e di nt h i s 也e s i s t h ea n 曲m c a l m e m o da n dn u m 缸c a ls i i n u l 撕o nh a v eb e e nu s e dt oa 1 1 a l y s i sm es 仃e s sa i l ds 妇no f t h e e x 仃u s i o n c o n t a i n e rf o rv 撕o u sw o r k i n gc o n d i t i o n s ，a n dm es 仃u c n l r eo fe ) 咖l s i o n c o n t a i n e ri st h e no p t i m i z e d t h e s es t u d i e sw i l lp r o v i d ean e wd e s i g nm e t l l o df o r e x 乜1 l s i o nc o n t a i n e rt oi i n p r o v eq u a l i 锣o ft h ep r o d u c ta n dt h er e l i a b i l i 够o ft h ec o n t a i n e r t h em a i n l yw o r k so ft l l i sr e s e a r c ha r e ： f o rs 0 1 v i n gt h ep r o b l e mo fc o n l p l e xf - o m u l aa n dc o m p l i c a t e dc a l c u l a t i o n ，w h e n w eu s es 仃e s ss u p e r p o s i t i o nm e 1 0 dt oc a l c u l a t ec o m p o u n de x m l s i o nc o n t a l i n e r ，b a s e do n m em e o wo ft h i c k w a l lc y l i n d t h i st h e s i sd e d u c e sd i s p l a c e m e n tc o o r d i n a t i o n m e t l l o dt os t u d yc o n t a c ts 仃e s sb e t w e c nm e1 a y c r sw h c nc o m p o u n dc o n t a i n e r i s a s s e i 】1 b l e du n d e rs b 矗n k f i t t i n g t h es 廿c s s e sa n ds t r a i n sa r ee a s yt op 础c tb yu s i n g 也_ i s n e w m o d e l ，e s p e c i a l l yf o rm em u l t i l a y e rc o n t a i n e r t h em u l t i 1 a y e r 咖s i o nc o n t a m e ri s 孤a l y z e db yu s i n gm el a r g e - s c a l ef i n i t e e l e m e n t a 1 1 a l y s i s s o 胁a r eu n d e r p r e l o a d e d ， p r e l o a d e d - i n t e m a lp r e s s l l r e a 1 1 d h e a t p r e l o a d e d i n t e m a lp r e s s l 】r ec o n d i t i o n s t h er e g u l t ss h o wm a t s t r e s sc o n c e n 仃a t i o ni s a l w a v se x i s t e di nt h ec a l c u l 撕o no fn a tc o n t a i n e rs 嘶o u s l y t h em a x i m u ms 骶s sc a nb e r e d u c e di n 也eh e a t _ p r e l o a d e d i n t 锄a 1p r e s s l 】r es t a t e t h er e s u l t sa r ea l w a y sc o n s i s t e n t b e 觚e e nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da l l dd i s p l a c e m e n tc o o r d i n a t i o nm e 也o d t h i st h e s i sa l s os t i l d i e sm es 虹e s sd i s 乜曲u t i o nw h e nm u l t i - l a y e re x m l s i o n c o n t 咖e ri si n n u e n c e db yt 1 1 ed i 虢r e n ti n t 刊臼e n c ef i ta 1 1 dt h ed i f f 矗e n ts h 印e so f 证1 t 锄a ll a yo fc o n t a i n e r ，u l t i m a t e l yd e t e m i n em eb e s t a r e ao fs i l k - f i t t i n g s d i s t r i b u t i o nw h e ns 觚1 9 mo fe x 帆1 s i o nc o n t a i n e ri ss m a l l e r s t u d i e ss h o wt l l a tt h es h 印e o fc o n t a i n e ri sc o n s t i t u t e db yl i n ea n de l l i p t i c a la r c ，t h ev a l u eo fs t r e s sc o n c e n 跏o ni s 1 e s s e n e da n dt h el o c a t i o nw i l l 位m s f l e rc o m p a r i s o nw i mo m e rs h 印e so fc o n t a i n e r - c o m b i n i n gw i mo b j e c t - o r i e l l t e dc # ，m e1 a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n ts o r w a r e ，t l l e i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 p a r 锄e t r i cl a n g u a g eo fp y t l l o na 1 1 dm a t l a bo p t i m i z a t i o nt 0 0 1 s ，w ee s t a b l i s ht 1 1 e s 乜1 l c t l l r em o d e lo fm u l t i - l a y e rn a tc x 缸u s i o nc o n t a i n e lt h em i n i m u mv a l u eo fs 仃e s si s s e ta so b j e c t i v e 劬c t i o n t h es h 印eo fs 仃a j g h t1 i n ew i mc i r c u l a ra r ca n dt 1 1 es h a p eo f s 仃a i g h tl i i l ew i t he l l i p t i c a la r ca r em a i n l yu s e da sm er e s e a r c ho b j e c t s ，o u rp u r p o s ei st o o b t a l i nt h eb e s tp a r a m 鼬巳r so fm ee ) 【仃u s i o nc o n t a i n e r si n t e n l a ls h 叩e i ti sb e l i e v e dt h a tt h ea 1 1 a 1 舛c a lm e t h o d sa n dr e s e 卸c hr e s u l t si nn l i s 也e s i sh a v e s i 班i f i c a i l tt h e o r e t i c a ls e n s ef o ro p t i m i z i n gt h es h 印eo fm u l t i 一1 a y e re x 缸u s i o nc o n t a i n e r ， i i l l p r o v i n gm es 仃e s ss t a t eo ft h ei n t e m a ls h a p eo fn a te x 饥l s i o nc o n t a j n e ra 1 1 de x t e n d i n g t 1 1 es e r v j c e1 j f eo ff l a te x t 九】s i o nc o n t a j n e r k e y w o r d s ：m u l t i - 1 a y e re x 仃u s i o nc o n t a i n e r ；d i s p l a c e n l e n ta 1 1 a 1 如cm 砒o d ； i n t e r f e r e n c ef i t ；i i l t e m a ls h 印e ；s 饥l c t u r eo p t i m i z a t i o n i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 大型宽幅铝合金壁板因具备强度高、重量轻、耐腐蚀性强、易于加工等优点， 使其向大型化、扁宽化、薄壁化、复杂化、多品种、高质量方向发展，而近些年， 由于我国高速列车、城市地铁、轻轨、公交、铝合金门窗等扩大化生产及航天航 空、船舶兵工、机械制造业的快速发展，对大型壁板的需求也急剧增加。大型壁 板成型方法主要是挤压，而在挤压过程中挤压模具形腔对大型壁板的成形质量影 响重大。 据统计，2 0 0 6 年世界各国装备的不同类型、结构、用途、压力的挤压机达7 0 0 0 台以上，其中美国6 0 0 多台，日本4 0 0 多台，德国2 0 0 多台，俄罗斯4 0 0 多台， 中国3 0 0 0 余台，大部分为介于1 5 2 5 m n 之间的中小型挤压机。随着我国铝型材 加工业的蓬勃发展，中小型和重型设备在世界范围内都占有很大的比重，挤压设 备的数量逐年增加，中国成为世界生产大型壁板国家之一。目前我国挤压模具的 设计还停留在传统的依靠工程类比和经验设计上，所设计的挤压模具必须经过反 复的试模和修模来调整工艺参数【l 】。这样会造成模具品质不高i 并且花费时间和精 力，生产能力低下，不利于整个行业的发展。随着近些年对挤压制品的要求越来 越高，传统方法已不适合发展要求，因此，改进传统的模具设计方法已经成为迫 切的需求。 由于大型壁板广泛应用于各个行业，壁板的质量和成本都要求最优化。挤压 过程中材料流动状况复杂，挤压模具工作环境恶劣。本文主要研究挤压筒的变形 情况，对扁挤压筒进行优化，使其应力分布均匀，应力峰值降低，使用寿命提高， 生产成本降低。分析不同工况对挤压过程的影响，能更好的模拟实际情况，研究 以挤压筒实际工作时的力能参数为依据，对挤压筒进行结构优化。 从综合效果看，扁挤压筒挤压是一种很有效的成形方法。扁挤压筒可以生产 壁薄、精度高、断面宽高比大以及截面形状多样化等特点的宽扁铝型材。与圆挤 压筒的特点进行比较，具有几何形状上的优越性，因为扁挤压筒形状与壁板类型 材类似，这样使得金属的流动速度平缓匀称，产品质量高。挤压过程中使得挤压 筒结构也更加紧凑，模具耗损度有效的降低了。而大型扁挤压筒在实际工作时也 存在很多不足，受力复杂，在高温、高压、高摩擦及交变应力的作用下，会出现 局部拉应力过大而产生应力集中现象，严重影响扁挤压筒的使用寿命。因此，对 组合扁挤压筒结构进行应变分析，对于进一步降低生产成本与完善制造工艺，提 高安全性能，加速我国交通运输的现代化、高速化和轻量化进程具有重要的意义。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 2 大型整体壁板成型技术概论 航天航空、交通运输、兵器工业、农业机械、电力能源、石油化工、机械制 造等各个行业均要用到金属塑性成型技术。金属塑性成型是指，在外力作用下， 利用材料的塑性、流变特性或物理性能等，使坯料的形状发生几何形态变化。成 型过程中伴随材料的应力状态和变形流动状态的变化，能消除金属的铸造疏松和 焊合孔洞，进而消除内部缺陷、晶粒度及内部组织，使成形件纤维组织合理。塑 性成型可提高材料的硬度、强度、耐疲劳性能。可见，通过塑性成型技术，不仅 可以获得无缺陷的工件，而且能够控制、改善及提高工件的性能和使用特性。 据统计，全世界7 5 的钢材需要经过塑性加工。压力加工【2 就是利用铝及铝合 金的良好塑性，在特定的温度、速度条件下，施加各种形式的外力，克服金属对 于变形的抵抗，使其产生塑性变形，从而得到各种形状、规格尺寸和组织性能的 铝及铝合金板、带、条、箔、管、棒、形、线和锻件等型材的加工方法 1 2 1 大型壁板制造工艺及特点介绍 大幅宽展壁板的制造方法包括：机械加工、化学铣切、模板轧制、模锻和挤 压【5 0 】。各种方法的主要特点及其合理的使用范围有： 机械加工 机械加工壁板的主要方法是在专用铣床上铣削。采用热轧或冷轧方法生产的 板坯或厚板可作铣削的毛料。 机械加工方法的优点是可以制作任意形状的壁板( 带纵向筋的、带横向筋的、 带纵横向筋的及带放射状筋的) ，可以利用预变形程度很大的、具有高强度性能的 冷加工厚板作为壁板的毛料。当用热处理强化的合金制造带纵横向筋条或者带有 高度不大的放射状筋条的壁板时，最好采用机械铣削的方法。 化学铣削 化学铣削已广泛地应用于制造飞机的各种零件。这种方法的显著特点是可以 制造各种形状的零件( 一次和多次弯曲、阶段变断面和逐渐变断面等) 。 化学铣削的主要缺点是金属不能回收。此外，在保护层覆盖的作用下，金属 既向深度腐蚀，又向边上腐蚀。后一种情况将使沿筋条高度的腐蚀不均匀，可使 异形筋条壁板的加工量增加。因此，化学铣削只适用于带有高度不大的矩形筋条 的厚壁板。 模板轧制 近年来，采用模板轧制的方法实现一面带筋的整体壁板已在各个国家流行， 其实质是在轧制压力的作用下使金属充满模板上的模膛。这种方法的最佳工艺流 程为：在不传动的平轧辊与刻有壁板筋条形状的可动模板之间轧制；在传动的平 轧辊与带有刻槽的可动模板之间轧制。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 模板轧制壁板的主要优点是生产效率高，大大减少了金属消耗并且提高壁板 的力学性能。缺点是壁板的尺寸受到模板相应尺寸的限制，刻槽的面积越大，模 板加工越复杂，因为单位压力的大小受到限制，很难制造带有高筋条的壁板，不 可能制造闭口形筋条，因为加工这样的筋条是在轧制之后，壁板不能从模板中拔 出。此缺点决定了它只能轧制长度不超过1 5 0 0 m m ，宽度不超过8 0 0 m ，z ，带有纵 一横向筋条的壁板。 模锻 模锻在制造各种轻合金零件方面得到广泛应用，它既可以制造单面带有复杂 筋条的壁板，又可以制造双面带有复杂筋条的壁板，包括各种几何形状的部位。 模锻既可以得到平板形壁板，又可以不经过弯曲和成型而得到各种弯曲形壁板。 由于受到压力机压力和压力机一工具系统弹性变形的限制，模锻壁板的面积受 到限制，这个缺点阻碍了它在制造壁板时的应用。 挤压 挤压是将锭坯装入挤压筒中，通过挤压轴对金属施加压力，使其从给定形状 和尺寸的模孔中挤出，产生塑性变形而获得所要求的挤压产品的一种加工方法。 挤压时，筋条的高度和形状不受限制，壁板的长度只受毛料长度和挤压系数的限 制，其长度比采用模板轧制法、热力模锻法及其他方法大得多，它可以生产边部 加厚，带大头的壁板，这类壁板要采用模板轧制法和热力模锻法加工会很困难。 采用挤压工艺时，工具的造价和设备的折旧费要比挤压模锻时少很多。虽然挤压 时金属废料比模板轧制和热力模锻多，但比机械铣削和化学铣削少得多。此外， 挤压时废料的外形尺寸相当大，再重熔时消耗于炉渣和烧损的金属量最少。 1 2 2 挤压工艺优点 相对于其他的加工方法，采用挤压工艺加工大型条壁板具有以下优点【3 】： 力学性能 挤压工艺会产生良好的金属力学性能，挤压制品经过淬火时效后，纵向强度 指标( q 、c r 0 ，) 高于用其他方法加工的同类产品，具有很高的综合机械性能。 应力状态 与轧制和锻造相比，在变形区内被挤压材料能获得更强、更均匀的三向压应 力，被挤金属的组织结构得到提高，塑性得到充分发展，而有些用轧制或锻造方 法无法加工的难变形金属，则可通过挤压方法解决。 表面质量 挤压方法加工的壁板型材精度很高。近年来由于提高了工艺水平，并改进了 模具质量，生产壁厚为( 0 6 0 1 0 ) m m ，表面粗糙度r 为1 6 o 8 m 的超薄、超 高精度、高表面质量的型材已经变得非常简便。这样既使得后续工作得到简化， 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 又使得材料的综合利用率得到提高。 制品种类 由于壁板的长度尺寸受到坯料和挤压筒长度的限制，用轧制或其他压力加工 方法很难生产的壁板型材和空心型材，通过挤压工艺可以轻松实现。 生产效益 热模锻或成型轧制等方法获得整体结构部件，采用挤压工艺即可一次成型， 并能获得性能更好的型材，生产操作简短方便，这样就减少了设备投资、提高了 材料利用率、降低了产品总成本，提高了经济效益。 挤压工艺生产的型材因具有上述优点，并且可通过铸锭直接加工，因而成为 加工高质量高精度整体壁板的最佳方法，而大型宽幅薄壁型材因具有良好的比强 度和可靠性等特点而被广泛应用于工业和生活，而扁挤压筒是生产大型宽幅薄壁 型材的一种有效手段，它可以实现采用高比压生产出的大宽厚比薄壁宽幅型材。 金属塑性成型过程模拟是实现短周期内，以较低成本设计出合理参数的模具， 并制订较优的工艺参数，生产出高质量产品，它可以实时描述整个金属塑性成型 过程。塑性加工不仅可以改变金属形状，并且对金属性能也有很好的提高，通过 塑性变形的应力状态可计算出变形力，分析出金属的流动趋向和对材料塑性的影 响程度。 一 1 3 发展现状 1 3 1 挤压设备的发展现状 近几年国内各大城市的地铁、高铁等快速发展，大型整体壁板等结构部件需 求量持续增长，挤压机吨位朝着重型化发展。早在2 0 0 6 年，全世界万吨级以上的 大型挤压机数量超过了2 0 台。大型化、成套化、组装化、自动化等特点已然成为 大型挤压设备今后的发展目标。几乎所有的挤压机均采用p l c 系统，实现自动控 制速度及温度、工模具的快速装卸。虽然我国挤压设备经过多年的快速发展，但 与国外设计水平相比仍存在很大的差距。目前我国挤压机分布特点是数量较多， 吨位较小，大多数挤压机均为2 5 m n 以下的小型机【4 】。壁板年产量达到4 0 0 万吨 以上，建筑门窗和装饰型材是主要的消耗途径。大中型材生产量比较匮乏，主要 通过进口或者用其它材料来代替以满足国内需求。当前国内主要是中国重型机械 研究院、西南铝业有限责任公司、辽宁忠旺集团、太原重型机械集团有限公司等 单位在挤压机的研究设计方面占领先位置。 在挤压机的结构方面，曹惠斌【5 在引进和利用国际最新技术的基础上，成功地 设计、制造出了我国第一条全自动铝材挤压国产7 5 m n 生产线。 张君【6 介绍了挤压设备常用的几种上料结构形式，主要分析了短行程前上料挤 4 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 压设备的优点和工艺特点，在此技术支持下设计了5 5 m n 油压双动短行程前上料 铝挤压机，不仅实现大型无缝铝管固定针工艺的技术路线，在1 2 5 m n 油压双动铝 挤压机进行了应用，并且还提出了如何在大型铝型材挤压机上减少固定非挤压时 间的具体措施【7 o 采用有限元数值模拟技术，验证了大型铝型材牵引的必要性，根 据双牵引的技术特点，实现双牵引的技术路线，提出了采用数据传输光电传感器 进行牵引机之间以及牵引机和中央处理器之间，进行数据交换的新技术，并在 5 5 m n 油压双动铝挤压机上进行了试验验证瞵j 。 储伯温 9 】分析了成套的1 0 0 m n 全自动双动铝挤压机的设计思想、技术特点、 安装调试经验和主要技术参数，对挤压设备的研究给出了指点性意见。 苟珍玺 1 0 对有色金属挤压机的关键技术进行了全面分析，阐述了各种关键技 术的特点及国内外的发展情况，指出了国产挤压机的差距和解决途径。 董晓娟【1 1 提出我国铝挤压装备现状及与国外的差距，对铝挤压机的关键技术 及其发展方向进行了深入分析。 毕琳【1 2 对我国一台8 0 m n 挤压机进行技术改造和设备配套，并且详细地介绍 了国外大断面型材生产工艺特点和重型挤压生产线设备的性能，根据挤压生产线 的特点提出了生产工艺和生产设备的技术改造方案。在原有8 0 m n 挤压机的基础 上，依照国外具有代表性的日本k o k 公司1 9 7 1 年安装投产的一台世界上最大的 油压挤压机，为它配备了一套适合于生产高速列车、地铁列车和其它工业用大断 面型材的辅助设备。k o k 公司投产的挤压机是由德国施罗曼公司设计旧本石川岛 播磨公司制造，是一台双动挤压机，既可挤压大型型材、棒材，又可用固定针或 随动针挤压大型管材：既可实现圆锭挤压，又可实现扁锭挤压。 1 3 2 挤压模具研究与发展 挤压模具的质量决定着挤压产品的形状、尺寸精度、表面状态、性能等，是 挤压工艺的关键，挤压过程中直接影响挤压制品的品质。 挤压筒是挤压机的重要部件，在挤压过程中主要用来容纳锭坯。工作环境恶 劣，处于高温高压的工作环境中，一般选取耐热工具钢进行制造，属于大型耗损 件。在所有挤压工具中，挤压筒的造价是最昂贵的。因此，挤压筒的结构影响到 成品的质量，挤压筒是否耐用，关系到挤压机的生产成本。 挤压模具技术在近几年得到快速发展，研究出更多的模具品种，如大型扁挤 压筒、固定挤压垫片、平面分流组合模等，并采用了形式多样化的工具自动装卸 机构和活动模架，在简化工模具装卸操作的同时，提高了生产效率。为满足我国 地铁列车国产化的需求，赵云路【l3 】设计改进了8 0 m n 挤压机上的挤压筒，并分析 扁挤压筒在不同工况条件下的等效应力值，由此获得优化扁挤压筒几何结构参数。 随着我国地铁高铁轻量化及航天航空制造高品质的要求，很多专家学者倾心于研 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 究大型宽幅薄壁挤压模具设计与制造工艺，并取得了很多重要结果。 c a d c a m 技术的飞速发展，使得挤压工模具的设计和制造实现了自动化，有 效的提高了工模具质量和寿命。而优化模具的设计关键在于c a d 技术的使用，它 将手动设计转化为自动化设计，并且保证了设计的可靠性和经济性。 数控机床的机加工、数控电火花线切割加工、离子氮化处理等工序在挤压模 具c w 技术下实现了连续自动的作业，制模技术得到空前发展，随着大型计算机 软件的开发和应用，在不断完善有限元分析理论和应用技术以及实用化各种数值 模拟和物理模拟方法的同时，c a d c a m 技术也迅速发展，为挤压模具优化设计的 理论与技术发展提供了更加有利的条件。 1 3 3 挤压理论的发展 铝型材挤压过程的理论解析法是通过将平衡微分方程、几何方程、屈服准则、 本构方程和边界条件等联立起来合解。在解析法中，在对型材挤压变形规律的分 析中用的比较多的是工程计算法、滑移线法、变分法、主应力法、能量法等。 1 9 9 7 年，m z y 伽l a i l n o k 5 l 】采用工程计算方法，分析了铝型材的成形原理， 对组成挤压载荷的因素、挤压坯料的尺寸优化、模具定径带尺寸确定以及型材挤 压的流速进行分析发现，出口处的金属流速和挤压载荷受坯料尺寸影响较大。并 且体积一定时，挤压力和坯料的高径比的变化成正比，挤压出口流速则与之成反 比。s a n t o s hk l n 一5 2 】采用上限法分析了非对称型材在挤压过程中的变形，在此基 础上推导出变形力和热分布规律。 清华大学徐亦公 1 4 】等用上限法对连续铸挤铝管材的挤压过程及力能参数进行 了计算分析。闫洪【15 等用上限法，分析了角铝型材在变形区的速度场、应变速率 场、变形力等诸多因素对金属流动和应力分布的影响，所得结果与现场实测吻合， 可用于指导型材挤压生产实践。 胡龙飞 1 6 采用复变函数共形映射的方法，将映射函数引入塑性加工过程分析 中，针对复杂型材的建模，提出挤压模具型腔映射的思路。以降低挤压能耗为目 标，对成形过程进行优化，以此获得最低能耗下型腔高度的最优化。在此基础上， 结合流体力学理论，引入流函数方程，提出挤压模具型腔的“流线型”数学模型。 w a g o r d o n 【5 3 】等以上限法为基础，通过对模型施加一个随材料流动而变化的 速度场测试模具形状对产品质量的影响，以达到优化模具形状的目的。 近年来，随着科学技术的快速发展，国内外对挤压工艺要求也在逐渐提高，。 自7 0 年代以来，挤压方法已经从静水挤压、连续挤压等技术发展到精密挤压技术、 连续挤压技术、可变断面挤压技术、弯曲挤压技术等。 j z h o u 【5 4 【5 5 1 等研究发现，将挤压材料出口温度保持在定范围内，型材表面 光洁度、微观结构和机械性能得到很好的改善。若是要缩短成型时间，则必须在 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 一定的速度下，将型材出口温度控制在1 0 以下。吴向红【l7 j 研究了等温挤压的实 现方式。分析结果指出，对等温挤压进行调解时，通过调整挤压速度曲线的方法 难以操作，因为此时对挤压机本身的要求很高，不现实。 张剥1 8 】也从改变挤压筒温度的角度入手，研究铝型材的等温挤压工艺。基于 传热学推算出从室温加热到特定值时，挤压筒所需加热能量和空气冷却量的准确 公式。由此设计了便于加热和冷却的挤压筒温度控制系统。并将最终结果与有限 元计算结果进行对比，提出了便于实现等温控制的设计工艺。控制温度的工艺与 控制速度的工艺相比，易于实现，操作简便灵活。 此外，李燕【19 1 ，王开坤【2 0 1 ，赵云路，王均【2 2 1 ，冯秋红吲综合运用数值模拟 和理论解析的方法建立扁挤压筒受非均布内压力、预紧力和热载荷联合作用下的 分析模型，进行应力分析，对挤压筒进行了结构优化分析。本文进一步研究扁挤 压筒的内孔形状对应力分布的影响，结合参数化的思想对内孔形状进行数值模拟 和结构优化，以此来降低应力峰值，使应力分布均匀，提高挤压筒强度。 1 4 本文主要研究目的及主要内容 1 4 1 研究目的和来源 挤压筒是挤压机的主要部件，挤压机的生产效率、挤压产品的精度、整机性 能等均受到挤压筒的结构强度影响。挤压时流动的金属与工具之间存在接触摩擦 力，当摩擦力很大时，会增加型材的扭拧、弯曲度等，降低了产品的精度。挤压 筒内孔形腔结构直接影响金属在模具中流动的均匀性，进而影响型材的变形情况 及模具的寿命。 由于一直没有很好的解决大型挤压筒的正确设计与制造技术问题，为了提高 挤压筒的强度，延长其使用寿命，本文应用解析方法和数值模拟方法模拟挤压筒 工作时的应力应变，通过研究各物理场的分布及变化情况，预测挤压筒在实际生 产过程中可能发生的状况，合理的判断挤压工艺及模具结构参数，在此基础上对 其进行有效的修改，从一定程度上避免了费时、费力、高成本的试模返修过程【2 4 】， 从而能够快速合理地进行工艺与模具设计，缩短生产周期。分析研究挤压机的结 构，进一步提高挤压机的质量和使用寿命。研究相对应变、温度、应力状态对铝 合金材料挤压变形性能和挤压筒刚度的影响，以达到优化挤压筒结构的目的。本 项目来源于重庆大学与某公司共同合作的国家重大专项。 1 4 2 论文主要研究内容 本课题的主要内容包括： 运用弹性力学理论推导出变位移协调公式，对组合圆挤压筒进行力学分 析，改进了盈利迭代法的不足。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 采用数值模拟法和解析法分析组合式挤压筒在预紧、 内压工况下的应力分布。 探讨了不同过盈量对扁挤压筒内孔应力分布的影响， 状对组合式扁挤压筒应力分布的影响。 预紧内压、热预紧 并研究不同的内孔形 结合面向对象的c 语言、大型有限元软件、参数化语言和m a t l a b 优化 工具，建立扁挤压筒的结构模型，以应力值最小为目标函数，对直线圆弧型和直 线椭圆型两种孔型进行结构优化，确定出了最佳的过渡形线参数，具有一定的理 论意义和实际价值。 重庆大学硕士学位论文 2 挤压筒内孔形腔基本理论研究 2 挤压筒内孔型腔基本理论研究 挤压筒在挤压过程中受三向压应力，分别为径向压力、周向压力和轴向压力， 挤压力沿轴向应力分布比较均匀，所以解析法中将挤压筒可简化为厚壁圆筒模型， 即简化为为平面应变问题，根据弹性力学计算三层圆挤压筒的接触应力及受内压 时的应力应变。 2 1 厚壁圆筒解析法描述 2 1 1 弹性力学的基本方程 等厚较长的圆筒，内外表面受有径向均匀分布的压力作用，并假定压力沿筒 轴向方向均相同。由于压力和物体本身的对称性，故变形后的圆筒对其轴线一定 也是对称的，所以当利用极坐标时既没有切向位移y 也没有剪应力，这是轴对 称的弹性力学平面应变问题。 基本方程应变与位移间的微分关系式1 2 别为公式2 1 也 2 _ d ， “ s 82 一 r = 0 ( 2 1 ) 平衡微分方程简化为公式2 2 堕+ 王二鱼：o( 2 2 ) d rr 圆筒开口时不受轴向力，此时吒= 0 ，应力应变关系化简为式2 3 铲詈一等 ，一0 8 p 6 r 白2 苫一彳 ：鱼：0 2 言刮 整理计算得到 ( 2 3 ) 重庆大学硕士学位论文 仃。2 2 将式2 4 带入式2 2 中计算得式2 5 击c 鲁+ 等州训c 孚肛。 2 挤压筒内孑l 形腔基本理论研究 将应变与位移见的微分关系式2 1 带入进行计算得到式2 6 经计算得到最终解为： 占，= c 1 一c ， = c l + c 2 2 其中积分常数c 1 、c 2 可由边界条件决定。 2 1 2 典型受力情况下的应力及位移计算 圆筒受有均匀内压 设内压力为p ，吒= 0 时，边界条件变为： 当r = 以时，q = 一p ；当，= 6 时，q = o 。如图2 1 所示 图2 1 受内压 f i g 2 1w i m i n t e m a lp r e s s u r e 1 0 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 、l，j 岛 啤 r 8 心 p 专专 0 = 甜一尸 一 也一办1 一r + 丝矿 、l，j 一，一， 纠刊纠旦帅旦帅 g g 旦土 重庆大学硕士学位论文 2 挤压筒内孔形腔基本理论研究 将边界条件带入2 8 中计算积分常数，贝0 应力应焚关系式变化为： q = 寿( 1 - 争 9 ) = 岳c ，+ 争 汜 甜= 菇与阶刊州，训争 汜 并且在，= 口处，圆筒内圈位移廿变化为： = 譬( 筹训 ( 2 1 2 ) 圆筒受有均匀外压力 设外压力为见，边界条件为当r = 口时，q = o ；当，= 6 时，q = 一致。如图 2 2 所示。 图2 2 受外压 f i g 2 2w 硫e x t e m a lp r e s s u r e 带入2 8 进行计算，可得应力应变关系式为： 旷一辫”多 一筹( 一志m 刊州训争 p ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 重庆大学硕士学位论文 2 挤压筒内孔形腔基本理论研究 外径变化为 扩一警c 等刊e 、6 2 一口2 ( 2 1 6 ) 圆筒受均匀分布的内外压 设内压力为b ，外压力为见，此时边界条件为当r = 口时，q = 一只；当r = 6 时，q = 一见。如图2 3 所示， 图2 3 受内外压 f i g 2 3w i mi n t e m a la n de x t e m a lp r e s s u r e 利用此边界条件可得应力应变公式为： q = 每+ = 每一 以2 6 2 ( 见一p f ) 1 6 2 一口2r 2 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) “= i i 石二：百 ( 只以2 一p 。6 2 ) ( 1 一) ，一一日2 6 2 ( p 。一p ，) ( 1 + ) 吉 ( 2 1 9 ) 2 2 应力叠加公式计算组合挤压筒 单层挤压筒在工作时内壁存在很高的应力峰值，而采用组合挤压筒可以利用 装配产生的压应力来抵消由于挤压力而引起的拉应力，采用预应力组合式挤压筒， 允许采用比单层挤压筒更高的工作压力。 挤压筒一般采用三层或四层组合结构来提高挤压筒的承载能力，使用组合筒 重庆大学硕士学位论文 2 挤压筒内孔形腔基本理论研究 代替单层筒，可以提高使用寿命，改善受力情况。组合筒各层之间采用过盈装配， 由内向外进行热装，各层之间会产生预紧力，内层的压应力大于外层的压应力， 过盈面处的压应力最大，有效的提高了挤压筒的刚度。当内表面受压时，整个筒 子受到向外的拉应力，与预紧力产生的压应力抵消一部分，余下的拉应力处于组 合挤压筒屈服强度范围内，使挤压筒内应力趋于均匀，有效地提高挤压筒的受载 能力，所以研究挤压筒的接触应力非常有必要。 在装配时，内层、中层和外套在压力作用下成为一体。装配应力的大小可以 通过公差控制。缪勒提出挤压筒外套的外径为内衬内径的4 5 倍左右的理论。内 衬的壁厚不应超过它所必须克服的工作用力的需要，但是这一点并不会在所有情 况下满足，一般在实际经验的基础上，近似地确定挤压筒内衬的壁厚【2 酬。 受内压作用时的组合挤压筒，在理论上采用相同的径比会有比较好的受力条 件，而实际上当挤压简传热慢而不能避免热积累时，相同的径比，并不能保证配 合的可靠性。根据这种情况，挤压筒的内径选得比中衬高些。 一般情况下，径比可根据实际经验选取 内衬k ，：盟：且：1 5 2 1 吐f吒f 中衬 外套 牛等2 詈毛以s d ，j只： 挤压筒中衬是承受挤压力的重要零件，应满足严格的强度要求，厚度大约为 内衬的1 2 1 5 倍，不宜过厚。 组合挤压筒的进行装配时一般采取过盈配合，需要热装，配合面最小径向压 力产生的摩擦力能克服挤压力的作用。因此最小径向压力可按下式计算，即 f k 沪i 面 式中 p 删。最小装配径向压应力； 畋，配合面的直径； ，锭坯长度； 厂金属与挤压内衬内表面的摩擦系数。 三层组合筒装配应力为 ( 2 2 0 ) o o 6 l i 盈嘞 = 屯一九 = k 重庆大学硕士学位论文 2 挤压筒内孔形腔基本理论研究 只l2 鱼木竖：茎2 二! 丛茎! 二! 1 2k 2 1 = 争盟掣 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 式中s 。、岛内衬与中衬、中衬与外套间的配合系数，一股司在o 0 1 5 0 0 1 8 之间选取。 则组合挤压筒接触面上的装配应力分别为 k 2 k2 一k 2 胪只1 + 如翁l( 2 2 3 ) p z2 见：+ 只- i 萤巧i 拳+ 鬻l眩2 4 ， 匠2 + 1k ，2 五2 + 1 邓“南吧z 藕j 2 3 位移协调公式计算组合挤压筒 挤压筒工作时主要承受的是疲劳应力。作用在内衬和中衬上的应力是拉压交 变的，外套只受拉应力。工作时挤压筒受到的应力是装配应力与拉应力的叠加。 采用应力迭代法计算接触应力，公式繁多，且不具有通用性，本节引入半径 随载荷的变化的关系，推导出计算三层组合挤压筒应变关系的位移协调式。在挤 压筒的实际制造过程中，假设最内层筒的内半径和最外层筒的外半径在初始状态 是可以确定的，其余筒的半径在不同的工作情况下是变化的。 结果显示，无论在何种过盈以及载荷条件下，都能与应力迭代法的计算结果 取得较好的重合度。基于弹性力学推导计算三层组合挤压筒的应力公式，如图2 4 所示，解方程组可求出任意点位置处的应力应变值。 1 4 重庆大学硕士学位论文 2 挤压筒内孔形腔基本理论研究 工口1 ， 2 l 口仃1 7 ( d ) ( b ) 巧 恐 ( e ) 图2 4 组合挤压筒受力示意图 ( a ) 内筒( b ) 中筒( c ) 外筒( d ) 过盈( e ) 添加内压 f i g 2 4 d r a w i n go fc o m p o u n de x 仃u s i o nc o n t a i l l e r ( a ) l a y e r1 ( b )l a y e r2 ( c )l a y e r3 ( d ) i n t e r f e r e n c ef i t ( e ) i i l i l e rp r e s si i l l p o s e d 己知条件为装配前内筒内径，外筒外径吩，过盈量4 与嘎，装配后两个 配合面的半径，i 与巧，所加内压昂，泊松比以及弹性模量。解析式共包含两个方程 组，第一个方程组表示过盈配合后的状态，第二个方程组则反应了在施加内压的 情况下，挤压筒的应力与半径变化情况。 一 吒一1 1 j + 君 p 2 一p 2 1 10 眨一吃22 蕊 一_ 旧：分b ，钡1 _ 砌：乇秀( 肾黝( 1 + ) 寺 ( ；吨钡l _ 鹏：毛唛( 铲聊训毒 h ，= 警( 籀+ _ h = 器 4 = i 。一：i 疋= i 吃：一眨，i 一2 式2 2 5 过盈时接触应力以及半径状态 e q s 2